CN113715223B - 一种改善插件型pptc成品阻值下降的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善插件型PPTC成品阻值下降的方法。即将包封好的产品放入密闭环境中，使所述密闭环境内的温度降温至90℃以下时保温至少5分钟，再从所述密闭环境中取出产品即可。该方法可以有效的替代冷热冲击或其它设备来降低或消除阻值下降的问题。

Description

一种改善插件型PPTC成品阻值下降的方法

技术领域

本发明涉及高分子工艺领域，尤其涉及一种改善插件型PPTC成品阻值下降的方法。

背景技术

聚合物正温度系数热敏电阻器件(Polymeric Positive TemperatureCoefficient，英文简称：PPTC)由聚合物和导电物质经过混合经过组装工艺制成。在正常温度下，导电物分散在聚合物中，导电物在聚合物中形成导电通道。在正常电流情况下，由于低阻值PPTC产生的热量小于散发的热量，使聚合物温度低于一定值。当有异常强电流通过或外界环境温度升高时，PPTC产生的热量大于散发的热量，热量的聚集导致元件温度升高，当温度超过聚合物的软化温度，聚合物膨胀致使已形成的导电通道断开，元件阻抗迅速提高从而起到保护电路。

在实际生产过程中，一般插件型PPTC经过密炼造粒，覆膜及芯材成型，辐照，冲切制成芯片，芯片组装，包封，固化，冷热冲击，电阻测试，包装这些工序完成从原材料到成品生产，其中涉及到高温的制程有：密炼造粒，覆膜及芯材成型，芯片组装，包封，固化。固化为完成成品生产前最后一个高温工艺，主要为：将包封好的材料放入烘箱，然后固化规定时间，固化时间到了之后开门取出产品进行后续的冷热冲击。由于在高温下聚合物呈熔融状态，在烘烤结束后产品由高温到室温冷却状态和冷却速率不一样，导致材料内部存在大量的残余应力且残余应力的状况也不同，同时由于导电物质在聚合物中没有充分地调整其状态就被冻结下来，因此生产的导电网络不稳定，出现了产品的阻值随时间变化而下降的问题(即驰豫效应)。按实验研究结果，阻值需要20～30天后稳定，稳定下来的阻值会在原阻值基础上下降约9％～14％不等。目前一般的做法是通过冷热冲击来消除这种影响。采用冷热冲击增加了工序，提高了成本，而且冷热冲击的时间一般2小时～8小时，增加了产品生产时间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以有效的替代冷热冲击来降低或消除阻值下降问题的方法。

为实现上述目的，本发明提供一种改善插件型PPTC成品阻值下降的方法，将包封好的产品放入密闭环境中，使所述密闭环境内的温度降温至90℃以下时保温至少5分钟，再从所述密闭环境中取出产品。

进一步，还包括将产品从所述密闭环境中取出后使其自然冷却；优选的，于室温中使其自然冷却。

进一步，所述密闭环境为热风循环烘箱或固化箱。

进一步，所述密闭环境内降温的速率控制在0.8℃/Min以内。

进一步，所述密闭环境内降温的速率控制在0.4～0.8℃/Min。

进一步，所述至少5分钟是指5-10分钟。

进一步的，将包封好的产品放入密闭环境之后，先使该密闭环境升温，对产品进行固化，再使该密闭环境内的温度降温至90℃以下。

进一步的，升温和降温过程均在同一热风循环烘箱中进行。

进一步的，升温过程在隧道式烘箱中进行，降温过程在固化箱中进行。

本发明提供改善插件型PPTC成品阻值下降的方法，可以替代冷热冲击来消除插件型PPTC产品成品阻值下降的问题(见图1)。

本发明采用密闭环境中降温。此密闭环境可以是独立热风循环烘箱或其它密闭能够调节温度和降温速率的设备。密闭环境的目的是为了消除室温或其他温度干扰，以达到所有材料降温速率相对一致。结合降温速率的控制，达到等同冷热冲击的效果。

本发明在烘箱内，比如热风循环烘箱内降温的速率控制在0.8℃/Min，优选的控制为0.4～0.8℃/Min。降温速率低于0.4℃/Min可能产生同样的效果，但低于0.4℃/min会大大增加产品生产的时间，对产品阻值下降的改善与设定的条件差异不大。降温速率高于0.8℃/Min，不能达到预期的改善目的或改善效果被削弱。根据实验数据，当降温速率为1.0℃/min时，产品由于降温速度快，会表现出样品的阻值升高(对比降温速度0.8℃/Min)，放置一段时间后(超过30天)阻值会下降会超过3％。

本发明在温度降低到90℃及其90℃以下并且在该温度保温至少5分钟，优选5～10分钟。低于5分钟，可能无法确保产品温度不超过90℃，超过10分钟会产生不必要的生产时间浪费，5～10分钟可以充分保证产品温度达到要求，又可有效避免生产时间的浪费，节省生产时间。

本发明在产品冷却到90℃以下和冷却到90℃对比，产品对阻值下降改善差别不大。冷却到达温度包含室温～90℃中任何温度。优选90℃，可以有效减少作业时间：一般冷热冲击作业时间为2～8小时，而采用本发明的方法可以使产品冷却到90℃的时间≤2小时。

对于烘烤温度低于90℃的烘烤产品，在独立热风循环烘箱内降低至室温开门，降温速率同样控制在0.4～0.8℃/min。

如果使用隧道式烘箱，由于隧道式烘干箱升温段，烘烤段和降温段三段是同速度运行，调整降温速度会影响到升温段和烘烤段的烘烤时间，会引起生产参数的变化。针对隧道式烘箱采用调整作业方法来达到效果。具体实施方案如下：可以将产品烘烤时间拆分，第一次使用隧道式烘箱进行第一次烘烤，然后采用密闭的固化箱进行二次固化(两次作业效果等同于使用热风循环烤箱)。虽然隧道式烘箱的作业方式与热风循环烘箱有差异，但采用统一理论基础：降温速率的控制，可以归结为同一方法。通过二次烘烤达到产品环氧树脂包封料固化的效果。二次固化后产品冷却温度到90度，降温速度控制在0.4～0.8℃/Min。虽然此发明会导致将烘烤作业拆分成两次作业，但整体作业时间不会增加太多。同时也增加独立热风循环烘箱或其它类似的密闭设备，但通过此发明取代了冷热冲击制程。取得的改善效果是很明显的。

不采用冷热冲击前，产品阻值会出现9％～14％不等的阻值下降；采用冷热冲击的方式可以将阻值下降降低到3％以内；采用此项发明也可以将阻值下降减少到3％以内。也就是说采用本发明的方法可以替代冷热冲击的工艺，达到冷热冲击相似的效果。

冷热冲击采用的是高低温极速变化(通常是-20℃～110℃或更高温度。通过多次高低温冲击，使得产品内部由于高温工艺导致的应力得以释放以达到产品稳定的目的。而本发明基于现有技术中产品在冷却过程中一直处于较高温度(>90℃)状况下，产品机体膨胀，高密度聚乙烯在熔融或软化状态下，炭黑粒子微布朗运动克服高密度聚乙烯束缚重排，使得导电网络完善。

采用本发明的方法节约了成本：本发明可以基于现有固化设备进行简易改造或者添置成本远远低于冷热冲击设备的热风循环烘箱。

附图说明

图1是采用本发明后PPTC插件型产品生产流程示意图。

图2是采用本发明的方法时，环氧树脂固化过程中材料表面的温度曲线图。

图3是采用本发明的方法时，环氧树脂固化过程中材料表面的温度曲线示意图。

图4是PPTC插件型产品一般生产流程示意图。

图5是对比例1环氧树脂固化过程材料表面温度曲线结果图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

实施例1：插件型PPTC半成品的制备

S1：将60wt％的高密度聚乙烯、40wt％的炭黑混合后，加入到密炼机中进行密炼塑化15～18分钟，控制设备最高温度不超过280℃，然后将上述塑化后的混合物加入到挤出造粒机中进行造粒，制成直径为2.5mm长度为3-5mm的圆柱状颗粒。该步骤不仅适用本实施例中的产品原材料配比，也适合任何插件型PPTC原材料配比。

S2，将形成的粒材料进行挤出覆膜并压延贴覆镀镍铜箔电极以形成芯材。

S3,将芯材使用45T冲压机冲压成Φ0.4圆片。该步骤不仅适用本实施例中的产品尺寸，也适合任何插件型PPTC尺寸。

S4，用高能粒子束对芯材进行辐照，辐照剂量100KGY。在单面完成50kgy后材料翻面照射。

S5,在本实施例中，芯材使用镀锡铜线装配，使用SnAgCu锡棒进行芯材与铜线的焊接。

S6，在本实施例中，包封采用环氧树脂包封料，采用预热产品再浸粉2次的方式包封，包封设备后端有设定值在100度左右的半固化过程。

实施例2：改善插件型PPTC成品的阻值下降

使用独立热风循环烘箱对实施例1所得的半产品进行环氧树脂包封料固化。具体为将实施例1所得的半产品放入热风循环烘箱，烘箱设定温度160℃，升温至160℃后保持时间90分钟(在90分钟时间结束后设备停止加热，但烤箱内实际温度可以正常读取显示。再设定烘箱温度为90℃，降温至90℃后保温5分钟，开门取出产品即得到插件型PPTC半成品(见图1的流程图)。本过程均在密闭的热风循环烘箱进行，中途箱门不开启。

或者采用隧道式烘箱，烘箱内升温至160℃后保持时间90分钟，然后将产品从烘箱取出放至密闭的固化箱中，再将固化箱降温至90℃后保温5分钟，从固化箱中取出产品即得到插件型PPTC半成品。

取出后的插件型PPTC半成品放在室温环境中自然冷却。冷却到室温超过2小时后，开始测量产品阻值。

阻值测量方法依UL-1434定义或者IEC-62319，使用HIOKI 3541电阻计测量，测量前对电表归零。测量环境在25±3℃环境中进行。测量16ea样品阻值数据R_初始。样品放置在室温条件下30天，测量30天后的阻值R_最终。阻值下降比例的计算公式：|(R_最终-R_初始)|/R_初始*100％。结果见表1。

表1实施例2实验结果数据表

试验时，确保独立热风循环或固化箱箱降温速率控制在0.4～0.8℃/Min。结果见2和图3。图2是采用本发明的方法时，环氧树脂固化过程中材料表面的温度曲线图。图3是采用本发明的方法时，环氧树脂固化过程中材料表面的温度曲线示意图。图2为环氧树脂固化和本实施例采用0.4～0.8℃/Min降温到90℃产品表面温度曲线结果图，横坐标为时间，纵坐标为温度。可以看出，温度点4降到90℃，之后再自然冷却至室温。部分没有降温速率控制的密闭烤箱可以通过条件抽风量来控制降温速率。从图2-3可以看出产品完成烘烤后，采用在密闭热风箱内降温，产品的温度曲线斜率更缓(温度点2和温度点4之间)，即产品冷却的速度慢。通过缓慢的冷却使得产品内部由于高温工艺导致的应力得以释放以达到产品稳定的目的。而本发明基于现有技术中产品在冷却过程中一直处于较高温度(>90℃)状况下，产品机体膨胀，高密度聚乙烯在熔融或软化状态下，炭黑粒子微布朗运动克服高密度聚乙烯束缚重排，使得导电网络完善。这一原理在梁基照著的“高分子符合材料导电学”第8章第4节中有阐述。(高分子复合材料导电学，梁基照著，广东科技出版社，2019年8月第1版。ISBN978-7-5359-7123-4.)。

实施例3：改善插件型PPTC成品的阻值下降

将实施例1所得的半产品放入密闭的热风循环烘箱中，保证烘箱内降温的速率控制在0.4～0.8℃/Min，使烘箱内的温度降温至70℃时保温8分钟，再从烘箱中取出产品于室温中使其自然冷却即可。冷却到室温超过2小时后，开始测量产品阻值。

实施例4：改善插件型PPTC成品的阻值下降

将实施例1所得的半产品放入密闭的热风循环烘箱中，保证烘箱内降温的速率控制在0.4～0.8℃/Min，使烘箱内的温度降温至80℃时保温10分钟，再从烘箱中取出产品于室温中使其自然冷却即可。冷却到室温超过2小时后，开始测量产品阻值。阻值测量方式和方法参考实施例2。产品离开烘箱的温度低于90℃，应力已经得到完全释放。

16ea样品测量数据显示出产品完成实施例4后，追踪30天后的阻值数据R_最终，阻值比较R_初始阻值的下降控制在3％以内。结果见表2。

表2实施例4实验结果数据表

对比例1：(现有技术的方案)

使用独立热风循环烘箱对实施例1所得的半产品进行环氧树脂包封料固化。设备设定温度160度，在160度保持时间90分钟。再将其进行冷热冲击。冷热冲击通过低温-20℃到110℃的温度转换使得产品释放，具体实施过程如下：

1.产品在室温条件放入冷热冲击试验箱内，冷热冲击试验箱体内升温到110℃。

2.冷热冲击试验箱保持110℃温度一定时间。此时间由工艺定义，不同厂商时间可能不同。

3.冷热冲击试验箱体内温度由110℃降低到-20℃。

4.冷热冲击试验箱保持-20℃温度一定时间。此时间由工艺定义，不同厂商时间可能不同。

5.冷热冲击试验箱温度升到室温，冷热冲击试验箱开始除霜，清除产品和箱体内水汽。从室温到110℃到-20℃再到室温被称为一个循环.根据产品阻值和产品阻值规格会定义不同的循环数，一般循环数为1～6个循环。

通过产品冷热冲击制程，得到最终的产品。测量产品阻值。图4即为该对比例的流程步骤。图5为采用本对比例时，环氧树脂固化过程中材料表面的温度曲线图。所用的温度测试方法：为使用K型测温线，在校验有效期内的温度记录仪。将测温线的感温头安放在样品表面，固定好测温线。安放测温线的样品和产品一起烘烤。读取样品表面温度。从图5可以看出产品完成烘烤后，在空气中冷却(温度点2到温度点3)，由于室温为25℃左右，与产品烘烤的温度160℃有很大的温差。当热的产品在室温环境下，产品的热量极速扩散到空气中，产品的温度极速下降。具体体现为产品的温度曲线斜率大，即产品冷却的速度快。极速的冷却导致产品内部由于高温工艺导致的应力无法得到完全的释放。应力在后续产品放置在环境中缓慢的释放，应力的释放导致高密度聚乙烯束缚重排，使得导电网络完善，阻值逐渐稳定。追踪30天后的阻值数据R_最终，25％的样品的阻值比R初始下降会超过3％。

对比例2：(是采用本发明方法时降温速率高于0.8℃/Min)

将实施例1所得的半产品放入密闭的热风循环烘箱中，保证烘箱内降温的速率控制在1.0℃/Min，使烘箱内的温度降温至90℃时保温8分钟，再从烘箱中取出产品于室温中使其自然冷却即可。冷却到室温超过2小时后，开始测量产品阻值。阻值测量方式和方法参考实施例2。追踪30天后的阻值数据R_最终，25％的样品的阻值比R_初始下降会超过3％。结果见表3。

表3对比例2实验结果数据表

对比例3：(采用本发明方法时降温后的保温温度高于90℃)

将实施例1所得的半产品放入密闭的热风循环烘箱中，保证烘箱内降温的速率控制在0.6℃/Min，使烘箱内的温度降温至100℃时保温8分钟，再从烘箱中取出产品于室温中使其自然冷却即可。冷却到室温超过2小时后，开始测量产品阻值。阻值测量方式和方法参考实施例2。追踪30天后的阻值数据R_最终，37.5％的样品的阻值比R_初始下降会超过3％。结果见表4。

表4对比例3实验结果数据表

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种替代冷热冲击步骤来改善插件型PPTC成品阻值下降的方法，其特征在于，将包封好的产品放入密闭环境中，使所述密闭环境内的温度降温至90℃以下时保温至少5分钟，再从所述密闭环境中取出产品；所述密闭环境内降温的速率控制在0.8℃/Min以内。

2.如权利要求1所述替代冷热冲击步骤来改善插件型PPTC成品阻值下降的方法，其特征在于，还包括将产品从所述密闭环境中取出后使其自然冷却。

3.如权利要求2所述的替代冷热冲击步骤来改善插件型PPTC成品阻值下降的方法，其特征在于，将产品取出后于室温中使其自然冷却。

4.如权利要求1至3任一项所述替代冷热冲击步骤来改善插件型PPTC成品阻值下降的方法，其特征在于，所述密闭环境为热风循环烘箱或固化箱。

5.如权利要求1至3任一项所述替代冷热冲击步骤来改善插件型PPTC成品阻值下降的方法，其特征在于，所述密闭环境内降温的速率控制在0.4~0.8℃/Min。

6.如权利要求1至3任一项替代冷热冲击步骤来所述改善插件型PPTC成品阻值下降的方法，其特征在于，所述至少5分钟是指5-10分钟。

7.如权利要求1至3任一项替代冷热冲击步骤来所述改善插件型PPTC成品阻值下降的方法，其特征在于，将包封好的产品放入密闭环境之后，先使该密闭环境升温，对产品进行固化，再使该密闭环境内的温度降温至90℃以下。

8.如权利要求7所述替代冷热冲击步骤来改善插件型PPTC成品阻值下降的方法，其特征在于，升温和降温过程均在同一热风循环烘箱中进行。

9.如权利要求7所述替代冷热冲击步骤来改善插件型PPTC成品阻值下降的方法，其特征在于，升温过程在隧道式烘箱中进行，降温过程在固化箱中进行。